雙足步行機(jī)器人設(shè)計(jì)及運(yùn)動控制

1、哈爾濱理工大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)- #- -目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 第1章序言2 HYPERLINK l bookmark4 1.1雙足機(jī)器人現(xiàn)狀2 HYPERLINK l bookmark6 1.2技能綜合訓(xùn)練意義2 HYPERLINK l bookmark8 13技能訓(xùn)練的內(nèi)容2 HYPERLINK l bookmark10 第2章元件選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)32.1元件選擇32結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三維設(shè)計(jì)圖42.2.1零件三位模型以及裝配42.2.2裝配三維模型7 HYPERLINK l bookmark16 第3章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)10 HYPERLINK l boo

2、kmark18 第4章系統(tǒng)軟件編程與仿真12第5章結(jié)論錯誤!未定義書簽。 HYPERLINK l bookmark22 參考文獻(xiàn)17哈爾濱理工大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)哈爾濱理工大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)第1章序言1.1雙足機(jī)器人現(xiàn)狀隨著世界第一臺工業(yè)機(jī)器人1962年在美國誕生，機(jī)器人已經(jīng)有了三十多年的發(fā)展史。三十多年來，機(jī)器人由工業(yè)機(jī)器人到智能機(jī)器人，成為21世紀(jì)具有代表性的高新技術(shù)之一，其研究涉及的學(xué)科涵蓋機(jī)械、電子、生物、傳感器、驅(qū)動與控制等多個領(lǐng)域。世界著名機(jī)器人學(xué)專家，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說過：“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是步行功能?！彪p足機(jī)器人屬于類人機(jī)器人，典型特點(diǎn)是機(jī)器人的下肢以剛性構(gòu)件

3、通過轉(zhuǎn)動副聯(lián)接，模仿人類的腿及髓關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，并以執(zhí)行裝置代替肌肉，實(shí)現(xiàn)對身體的支撐及連續(xù)地協(xié)調(diào)運(yùn)動，各關(guān)節(jié)之間可以有一定角度的相對轉(zhuǎn)動。雙足機(jī)器人不僅具有廣闊的工作空間，而且對步行環(huán)境要求很低，能適應(yīng)各種地面且具有較高的逾越障礙的能力，其步行性能是其它步行結(jié)構(gòu)無法比擬的。研究雙足行走機(jī)器人具有重要的意義1.2技能綜合訓(xùn)練意義技能訓(xùn)練是在學(xué)生修完除畢業(yè)設(shè)計(jì)外全部理論和時間課程以后的一次綜合性時間教學(xué)環(huán)節(jié)，其目的和意義在于：通過技能訓(xùn)練，了解機(jī)器人機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識；掌握機(jī)器人系統(tǒng)中元部件的正確選擇方法和特性參數(shù)的確定；培養(yǎng)學(xué)生對所學(xué)知識的綜合應(yīng)用，理論聯(lián)系實(shí)際的能力；培養(yǎng)學(xué)生

4、的動手能力和實(shí)際操作能力；13技能訓(xùn)練的內(nèi)容1、主要內(nèi)容：1）、機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);2）、控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與仿真；3）、八自由度機(jī)器人運(yùn)動控制。2、訓(xùn)練形式學(xué)生以小組為單位，集體討論確定整體方案；指導(dǎo)教師給岀實(shí)訓(xùn)方向，技術(shù)指標(biāo)等，協(xié)助學(xué)生完成訓(xùn)練任務(wù)。哈爾濱理工大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)哈爾濱理工大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)- - -第2章元件選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1元件選擇2.1.1電機(jī)的選擇常用的電機(jī)有直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)等。下面我們大概對直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)進(jìn)行一下對比(見表24)表21電機(jī)對比電機(jī)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用重量應(yīng)用場合直流電機(jī)功率大、接口簡單、容易購得型號多較難裝配、較貴、控制復(fù)雜任何重量的機(jī)器人較大型

5、機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)精確的速度控制型號多、接口簡單、便宜體積大，較難裝配、功率小、控制復(fù)雜輕型機(jī)器人巡線跟蹤機(jī)器人，迷宮機(jī)器人舵機(jī)易于安裝、接口簡單、功率中等負(fù)載能力較低速度調(diào)節(jié)范圍較小重至2.5kg的機(jī)器人小型機(jī)器人，步行機(jī)器人所以此處選取XQ-RS313不帶兩個耳朵全金屬齒輪13公斤大扭力舵機(jī)作為雙足機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)。參數(shù)說明:XQ-RS313舵機(jī)重量：62g尺寸：約60nuiiX40miiiX35.5mm速度：0.17秒/60度(4.8V)；0.13秒/60度(6.0V)扭矩：13kgcm使用溫度:0+55攝氏度工作電壓:4.8V-6V2.1.2關(guān)節(jié)材料及尺寸的選擇由于舵機(jī)已經(jīng)選定，則根據(jù)加入

6、墊片以后各寬度設(shè)計(jì)支架的寬度，并按著人體比例設(shè)計(jì)大腿、小腿處需要的支架的長度。(如下圖標(biāo)注所示)根據(jù)資料查閱，絕大多數(shù)小型雙足機(jī)器人關(guān)節(jié)材料均選用鋁合金作為材料，整個結(jié)構(gòu)采用1.5mm的鋁合金(LY12)飯金材料，這種材料重量輕、硬度高、強(qiáng)度雖不如鋼，但卻大大高于普通鋁合金。且這種材料具有彈性模量、密度比高的特點(diǎn)。又因?yàn)闄C(jī)器總重不超過2.5KG,舵機(jī)扭矩為13kgcm。強(qiáng)度遠(yuǎn)小于鋁合金的抗彎強(qiáng)度。所以符合要求。如圖2-l-2o圖2-1-2關(guān)節(jié)初步設(shè)計(jì)簡圖2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三維設(shè)計(jì)221零件三位模型以及裝配1、舵機(jī)，雙足機(jī)器人的核心部件，型號XQ-RS313,如圖2-2-1哈爾濱理工大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)

7、哈爾濱理工大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)- #- -/圖2-2-1舵機(jī)2、舵盤，用于連接舵機(jī)與鋁合金支架的部件，因?yàn)槎鏅C(jī)左右結(jié)構(gòu)對稱，所以舵盤只有一種：用于連接舵機(jī)的齒輪端。如圖2-2-2a圖222怨盤哈爾濱理工大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)哈爾濱理工大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)- - #-3、鋁合金支架，用于機(jī)器人的腿部主體支撐關(guān)節(jié)，起著連接舵機(jī)與舵機(jī)、舵機(jī)與腰部的身體板的重要作用。如圖2-2-3圖2-2-3鋁合金支架4、連接塊，在4個面上都有螺紋孔，用于舵機(jī)與鋁合金關(guān)節(jié)的連接以及關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)之間的連接，如圖2-2-4圖2-2-4連接塊5、底部機(jī)器人腳板，中空設(shè)計(jì)便于在崎嶇不平的道路上行走時提供足夠的摩擦力，如圖2-2-5.1-哈爾

8、濱理工大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)哈爾濱理工大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)圖2-2-7雙足機(jī)器人模型如圖2-2-8為Proe-engineer的雙足機(jī)器人主視圖截圖-luuh哈爾濱理工大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)哈爾濱理工大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)-io- -圖2-2-8雙足機(jī)器人主視圖如圖2-2-9為Proe-engineer的雙足機(jī)器人左視圖截圖圖2-2-9雙足機(jī)器人左視圖48I*JA1第3章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舵機(jī)的控制信號實(shí)質(zhì)是一個可調(diào)寬度的方波信號(PWM)。該方波信號可由單片機(jī)來產(chǎn)生。目前采用單片機(jī)做舵機(jī)控制器的方案比較多，可以利用單片機(jī)的定時器中斷實(shí)現(xiàn)PWMo電路設(shè)計(jì)方案有二種：1、利用555定時器實(shí)現(xiàn)外部中斷；2、用單片機(jī)內(nèi)部中斷。

9、考慮到制作成本，不宜增加外設(shè)，故采用方案2o方案電路圖設(shè)計(jì)如圖3-1所示。樂fengzhca-ISISProfsicmal劉tgOSSg)IA踹Q)齦申聖辣繚Q)38ziilFt?ifx:H雪40ia0JHOXGFomtflCOHUMOTSTALLED4REEN峨3?K)T0M$ERrt)QPTOCfllRERHFWRJLUJPRESRE5fW：51(K|1測5砌h圖31電路圖舵機(jī)控制器以80C51單片機(jī)為核心，該控制器中單片機(jī)可以產(chǎn)生8個通道的PW信號，分別由80C51的P1.0P1.7端口輸出。輸出的8路PWM信號通過光耦隔離傳送到下一級電路中。方波信號經(jīng)過光耦傳輸后，前沿和后沿會發(fā)生畸變

10、，因此反相器采用40106反相器對光耦傳輸過來的信號進(jìn)行整形，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的PWM方波信號。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)舵機(jī)在運(yùn)行過程中要從電源吸納較大的電流，若舵機(jī)與單片機(jī)控制器共用一個電源，則舵機(jī)會對單片機(jī)產(chǎn)生較大的干擾。因此，舵機(jī)與單片機(jī)控制器采用兩個電源供電，兩者不共地，通過光耦來隔離，并且給舵機(jī)供電的電源最好采用輸出功率較大的開關(guān)電源。該舵機(jī)控制器占用單片機(jī)的個SCI串口。串口用于接收上位機(jī)傳送過來的控制命令，以調(diào)節(jié)每一個通道輸出信號的脈沖寬度。MAX232為電平轉(zhuǎn)換器，將上位機(jī)的RS232電平轉(zhuǎn)換成TTL電平。哈爾濱理工大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)哈爾濱理工大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)哈爾濱理工大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)- - - 第4章

11、系統(tǒng)軟件編程與仿真舵機(jī)的控制信號為周期20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms,相對應(yīng)舵盤的位置為0-180度，呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸岀角度到新的對應(yīng)的位置上。舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號脈沖寬度的關(guān)系如圖4-1所示：輸入信號脈沖寬度（周期為20ms）舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)角05312.5ms圖4-1舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號脈沖寬度的關(guān)系測試編程如下(實(shí)現(xiàn)45,135。的脈沖信號)#include#defineuintunsignedint#define

12、ucharunsignedcharuchara;uiiitb;sbitpwl=POAO;sbitpw2=P0Al;voidangle(floatSl_angle,floatS2_angle5uintaction_time)uintSl_pw,S2_pw;ucharSl_loop_niim,S2_loop_niun;ucharflag=0;Sl_pw=(uint)(500+100*Sl_angle/9);S2_pw=(uint)(500+100*S2_angle/9);Sl_loop_num=Sl_pw/20;S2_loop_num=S2_pw/20;TRO=1;while(Iflag)/ipw

13、l=l;while(a!=Sl_loop_num);pwl=0;while(!(a=126);a=0;pw2=l;while(a!=S2_loop_num);pw2=0;while(!(a=12);a=0;b+;if(b=action_time)TR0=0;flag=l;b=0;voidmain()P0=0 x00;TMOD=0 x02;TH0=236;TL0=236;EA=1;ETO=1;angle(0,0,50);angle(45,135,50);voidTimeO()interiiipt1ja+;哈爾濱理工大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)哈爾濱理工大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)- - ffifarjditti-ISI

14、SFrofessiml（旗申）Oa:卜回翡世觸刃IM谿Q）邊謝謂魏迥乍n就吩fft圖4245和135。轉(zhuǎn)角時候的示波器波形圖4245和135。波形圖第5章結(jié)論通過這次技能訓(xùn)練主要運(yùn)用80C51單片機(jī)為控制器開發(fā)了一個雙足機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人系統(tǒng)是由6個舵機(jī)構(gòu)成的6自由度的機(jī)械系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)時，首先對雙足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)控制電路和應(yīng)用軟件的功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，確定了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和組成。通過這次設(shè)計(jì)，使我們鞏固了機(jī)器人設(shè)計(jì)制造以及單片機(jī)的知識，熟練運(yùn)用各種制圖軟件(ProE,AUTOCAD),編程軟件(Proteus,Ke訂)。提高了我們的動手能力以及團(tuán)隊(duì)寫作能力。為我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從實(shí)踐中體會到了學(xué)習(xí)研究機(jī)器人的樂趣。參考文獻(xiàn)1、潘存云、高里基.通用工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動仿真系統(tǒng)IRKSS.機(jī)器人.1994994-972、徐愛鈞，彭秀華.K